可以用数学方法解决的几个高中化学问题*

利用数学建模思想,展示完全平方公式、二项式定律、CASIO-991CNX中文版计算器求解高次方程、导数等数学工具在解决萃取率问题、雨水的pH求算、合成氨工业最佳投料比求算等具体的定量化学问题中的应用,揭示数学化归思想在解决化学实际问题中的强大功能,培养学生的化学学科核心素养。     

高中化学使用学案导学存在的问题与对策

目前中学教学倡导“学案导学”,即以学案为载体,以导学为方法,在学生自主学习的基础上,辅之以教师指导,完成知识的学习和能力的提升。通过观课、议课及自己教学实践,笔者发现学案导学存在诸多问题。以高中化学教学为例,通过5个实际案例,分析了目前学案导学存在的5大问题:无序化、求异化、习题化、知识化、一统化,并针对性地提出了相应的解决策略。     

光诱导原子经济的迭代型末端炔烃氢三氟甲基化和远程C(sp~3)-H键官能团化（英文）

使用Togni试剂的三氟甲基化反应通常会产生等物质的量的邻碘苯酸作为副产物.使用Togni试剂作为双官能团化试剂,通过氢原子转移的策略开发了一种可见光诱导的、原子和步骤经济的芳香炔的氢三氟甲基化与远程的α-C(sp~3)-H的苯甲酸化接力反应.这两种转化的结合,不仅实现了100%的原子转化率,而且解决了芳香炔氢三氟甲基化的区域选择性问题.这一新型的策略提供了制备一系列高官能团化的含三氟甲基烯烃的重要途径.     

酰胺直接转化:策略与近期进展

以酰胺直接转化的C-C键形成方法为主线,简要回顾近年取得的主要突破.内容涵盖基于三氟甲磺酸酐活化、化学选择性试剂的还原官能化策略,以及两类催化转化.这些重要进展表明温和条件下的酰胺转化可达到优异的化学选择性、官能团容忍性和较好的底物普适性,转化产物还包括多种官能化的胺、酮和烯胺酯（酮）化合物等,并已在天然产物和生理活性化合物的合成中得到应用与检验.     

可见光促进的炔烃的双官能团化反应

炔烃是一类易于制备且来源广泛的化合物,具有很高的反应活性.炔烃的双官能团化反应是一种直接、高效地构建各类有用分子骨架的策略.可见光作为一种绿色、清洁、来源广泛且丰富的能源,近几年在化学领域受到广泛关注,在烯烃的双官能团化等反应中有着重要应用.可见光促进的炔烃双官能团化反应在过去几年也得到了迅猛的发展.本综述从可见光促进的自由基历程,以及可见光促进与过渡金属联用两个方面讨论了可见光促进的炔烃双官能团化反应.可见光催化剂具有独特的单电子氧化还原特性,可与底物发生单电子转移,生成相应的自由基.一方面,各类型自由基如碳(sp~3, sp~2)自由基和杂原子(P, S, N, Se, Br, O)自由基可在可见光促进下生成,与碳碳叁键发生自由基加成反应后,生成的烯基自由基在之后的转化中形成双官能团化产物.自由基加成炔烃策略已被应用于一系列有用分子骨架的构建.然而,该策略在内炔烃及脂肪族炔烃上表现不佳.同时,其区域选择性和立体选择性也尚待提高.作为补充,可见光促进的单电子氧化还原形成1,3-偶极子与炔烃发生环加成反应的策略也在近期得到发展,但该类反应因需要特定的反应前体而受到限制.另一方面,可见光促进的单电子氧化炔烃,进而与亲核试剂反应的方法同样在近期得到发展.该方法为炔烃的双官能团化反应提供了新的思路.然而,炔烃较高的还原电势是该方法尚待解决的一个难题.利用过渡金属配合物可与叁键配位发生环金属化或者插入反应的特性,采用可见光促进与过渡金属联用策略来实现炔烃的双官能团化反应也受到研究者的重视.金属配合物在可见光照射下被活化,活化后的金属物种可与炔烃反应生成烯基金属物种,该物种为炔烃双官能团化的活性中间体.该策略可以高效地转化内炔烃和末端炔烃,同时其产物具有较高的区域选择性.然而,该策略对脂肪族炔烃的转化效率尚待提高,其产物的立体选择性问题仍需要解决.同时,发展地球丰产金属如铁、钴、镍等与可见光共同促进的炔烃双官能团化反应是该策略的发展方向之一.综上,我们总结并介绍了可见光促进的炔烃双官能团化反应.我们相信该类反应的独特的反应历程,温和的反应条件以及反应特性将会吸引更多的科学家投入研究.     

促进“深度学习”的教学设计

新课程教学实践中学习方式变革的表面化、课堂师生对话的肤浅化以及三维教学目标的虚化等问题造成了一定程度的浅层学习。深度学习是一种主动的、批判性的学习方式,不仅强调学习者积极主动的学习状态、知识整合和意义联接的学习内容、举一反三的学习方法,还强调学生高阶思维和复杂问题解决能力的提升,为解决浅层学习弊端提供了可行路径。深度学习教学设计需从目标定位、内容选择、策略运用、技术支持以及学习评价等方面进行系统设计。     

基于认识视角与认识思路的化学课堂教学*——物质的分类及转化

以解决“保存NaOH溶液的试剂瓶为什么不用玻璃塞”这一真实问题为情境,设计3个教学板块:运用分类方法认识物质、对物质进行分类、合成物质,从物质组成和物质变化的认识视角,对物质进行分类,建构分类观。依据物质分类研究同一类别物质的性质及应用,在完成知识结构化的同时,重在凝练基于物质分类及转化的认识视角和认识思路,寻找并体验陌生情境下解决复杂化学问题的突破口和思维框架,发展学生的化学学科核心素养。     

高中生化学问题解决中认知结构的个案研究

学生的化学认知结构是內隐的,通过某种方法切实了解学生头脑中的认知结构,将对化学教学具有重要意义。使用出声思维法将化学问题解决过程中的思维过程外化,通过对受试问题解决过程的录音材料的文字化、概念图化和问题解决行为图化,综合分析了化学认知结构中陈述性知识、程序性知识、策略性知识及各部分知识间的结构与逻辑关系,为实施有效教学提供案例。     

基于结构化认识和解决物质转化问题的思维模型建构*——以“氢氧化钠变质的实验探究”为例

以探究氢氧化钠变质为依托点,融合酸、碱、盐相关知识,在复习知识的同时,将结构化认识和解决物质转化问题的思维方法贯穿于课堂实验探究始终,帮助学生从“概念理解-模型建构-学习活动-真实问题-模型评价”5个维度,体验模型认知的具体过程。利用实验探究的手段解决学生的认知冲突,修正和完善模型,实现结构化认识和解决物质转化问题的思维模型建构,提升化学学科核心素养。     

基于项目式教学的含硫物质转化复习教学设计与实施

从硫酸工厂选址问题入手,将问题转化为项目任务,再由学生主动转化为化学问题,在问题解决中构建含硫物质的价-类二维图。此认识模型的建构让学生在复习元素化合物时有章可循、有图式可依。     

基于学科观念及方法建构的元素化合物单元教学设计与教学实效性研究

一直以来元素化合物的单元教学是以知识的系统性和完备性为教学目标的,然而实际的教学效果并不理想。为此本研究提出了基于学科观念建构的元素化合物单元教学设计,目的在于通过观念建构实现知识的结构化和功能化,进而提高学生解决问题的能力。以山东科技版《化学1必修》教材中"硫的转化"单元为例,本研究提出以建构"转化观"为核心的单元教学目标,研究了"转化观"有效建构的2个重要标志,即学生能够自主建构以价态和类别为横纵坐标的二维物质转化关系图,能够利用转化关系及规律解决实际问题,实现观念的工具化。研究了有效建构"转化观"的教学策略:(1)由整体到局部的策略,即先建构转化关系再利用整体结构指导学生认识重要代表物的性质,实现思维的系统化、有序化和结构化;(2)从自然现象→实验室→工业生产→环境等多角度建构和应用转化关系,以实现知识的工具化;(3)依据各课时教学内容的特点,选择开放程度适当的教学方式,保证教学的实效性。以山东科技版《化学1必修》教材中"材料家族的元素"单元为例,提出了建构"材料观"的单元核心教学目标。具体而言,就是要帮助学生建立从化学的视角认识材料的思路和角度,即认识材料的性能、加工、制备、用途等与物质性质的关系。研究确立了教学的基本思路是:以铝为载体建构基本认识框架,以铝的重要化合物为载体深化认识思路和方法,最后应用该思路和方法认识硅及其化合物的性质与相关材料问题。在教学实践的基础之上,本研究对单元教学的实效性进行了分析,提出了基于学科观念及方法建构的元素化合物单元教学设计的一般思路和方法:明确单元核心基本观念及思想方法→选择与核心观念相匹配的知识载体→合理分配各部分知识载体的功能→合理设计单元中每一课时的教学情境、问题和学生活动→精心设计课时之间的衔接。     

硅铝沸石分子筛晶化过程再思考

目前针对沸石分子筛的晶化过程已经进行了大量研究, 但是近年来硅铝分子筛的合成显示其晶化过程超出了传统的沸石分子筛晶化理论, 特别表现在硅铝沸石分子筛的模板作用、 水的作用以及沸石晶体之间的转化等. 本文讨论了上述作用的本质, 并通过研究模板法作用提出了无有机模板法合成硅铝沸石的策略, 通过了解水的作用提出了无溶剂法合成沸石分子筛, 通过表征沸石之间的转化过程发现不仅低骨架密度可以向高骨架密度晶体转化, 而且高骨架密度也可以向低骨架密度晶体转化.     

激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱:双外标结合基体归一定量校准策略

定量校准策略是激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(AICP-MS)分析技术的重要组成部分,直接影响分析数据的质量.本研究评估了现有玻璃标准物质定值不确定度的相对大小,并探究了NIST、MPI-DING和USGS系列玻璃标准物质之间的基体效应.结果表明,NIST610的定值不确定度优于其它玻璃标准物质,在本实验条件下,NIST、MPI-DING和USGS系列玻璃标准物质之间的基体效应可忽略不计.在此基础上提出了双外标结合基体归一定量校准策略,外标分别为NIST610和StHs6/80-G.此策略克服了由于NIST610主量成分与地质样品差别大而造成的主量元素准确度差以及StHs6/80-G中某些微量元素含量低、定值不确定度较大等缺点.对比采用3种定量校准策略(单外标NSIT610基体归一法、单外标StHs6/80G基体归一法和双外标基体归一法)校准的ML3B-G数据可知,双外标基体归一法有效避免了单外标基体归一法的不足,并提高了分析数据的准确度.采用双外标结合基体归一定量校准策略校准了BCR-2G、CGSG-2和KL-2G中的主量元素和微量元素.结果表明,绝大多数分析数据在定值不确定度范围内,验证了此校准策略的实用性.同时,本研究得到的主量微量元素数据进一步补充了BCR-2G、CGSG-2和KL-2G的定值数据库.     

纤维素水解研究进展

近年来纤维素的有效降解和转化问题已成为制约木质纤维素生物质有效利用的主要瓶颈之一。纤维素降解和转化方法的研究已成为当今科技界的一大研究热点,它对解决当前的资源、能源和环境问题都具有重要意义。将纤维素水解为葡萄糖等糖类物质是纤维素利用的重要途径。本文详细综述了目前有关纤维素水解的各种方法和相关研究进展。     

化学问题解决的认知──认知变换策略的训练

本文针对中学生解决化学问题的最大缺陷--缺乏认知变换策略,对化学问题解决的几个阶段,如何采用认知一认知变换策略的训练作了叙述。通过认知-认知变换策略的训练,有利于部分学生学习方法的改进、自我评估和监控能力的培养,从而提高其解题能力。     

对接-迁移:烯烃的自由基双官能化反应利器

烯烃双官能化反应能同时向烯烃两端引入两个不同官能团,实现简单烯烃向复杂官能化分子的高效转化,一直受到合成化学家的广泛关注.其中自由基介导的烯烃双官能化反应由于具有条件温和、类型多样等特点使其近年来备受关注.对接-迁移策略通过巧妙的双官能化试剂的设计,将自由基供体和迁移基团通过链接基团置于同一分子中,经与烯烃进行对接后再发生快速的分子内官能团迁移而实现烯烃双官能化.该策略针对烯烃底物的兼容范围广,对活化烯烃、非活化烯烃及具有复杂骨架的烯烃都有良好的适用性,为生物活性分子的后期改造提供了便利途径.本文主要综述了本课题组近几年内发展及利用对接-迁移策略实现的烯烃双官能化反应的进展.     

高中化学“物质转化及反应调控”项目式学习*——我是米酒酿造师

以“我是米酒酿造师——如何在家中酿造出美味可口的米酒”为项目主题,在化学、生物学科融合的大背景下,开展“物质转化及反应调控”的教学。通过“了解米酒酿造的原理、探究米酒酿造的影响因素、设计米酒酿造的方案”等3个核心活动,落实典型有机化合物的性质、有机化合物之间的转化等核心知识;在解决实际问题的过程中体会控制变量思想在科学探究中的重要作用,体会调控化学反应的速率和限度的重要意义。     

"运用数学知识解决化学问题的能力"探微

数学已成为现代化学不可缺少的重要工具。“将化学问题抽象成数学问题,利用数学工具,通过计算(结合化学知识)解决化学问题”,是一种高层次的思维活动,也是教育部考试中心要求高考考生必须具备的能力之一。笔者以为,该项能力要求的内涵与外延,主要体现在：①利用数学思想,将化学问题转化为数学问题的能力;②熟练运用数学工具解决化学问题的能力;③利用图像(函数)描述化学过程的能力;④数据的处理能力等4个方面。     

融通无机与有机模块发展核心素养的高中化学单元教学——碳中和背景下捕集和综合利用二氧化碳的研究

以社会热点切入，设计了基于类别、价态、化学键等3个视角探寻CO₂的转化路径，从而引发基于化学平衡、电化学、催化剂等相关反应原理探索调控转化CO₂的方法，再到融合成本、环保、安全等视角探秘CO₂的工业利用的3课时结构化单元教学。从CO₂分子结构的深度解析入手，联系反应原理，融通无机与有机，最终达到实际应用问题的解决，强化学生结构化认识物质及其转化的意识，提升自主调用知识调控物质转化及解决真实问题的能力，促进多维度化学学科核心素养的融合发展，最终引导学生成长为有持续学习内驱力的新问题解决者。     

二氧化碳化学:二氧化碳的催化转化反应

二氧化碳既是温室气体的主要成分又是储量丰富且可再生的碳资源,研究二氧化碳的化学转化和利用有着重要意义。基于二氧化碳与催化剂的弱相互作用以及催化活化原理,通过采用环境友好的反应介质(如高密度二氧化碳、聚乙二醇等)及催化剂的设计、分离和循环利用等策略,设计并合成了单组分和双组分的功能化高效催化剂用于合成有机碳酸酯、脲、噁唑啉酮和喹唑啉二酮类化合物,并相应建立了具有重要工业应用价值的合成新方法以及环境友好的新工艺。以二氧化碳为合成子的精细化工中间体合成不但丰富了有机化学的合成方法学,也为解决日渐严重的环境问题提供潜在的新方法。在此,对本课题组近二年来在二氧化碳化学尤其是二氧化碳催化转化方法方面的研究成果做一小结。